7 Инструментальные средства разработки сисТем управления на микроконтроллерах aTmega16

Любая микропроцессорная система, в том числе и система управления на микроконтроллере является аппаратно-программной системой, которая представляет собой неделимый комплекс “железа” и программного обеспечения. При разработке аппаратно-программных систем решаются две основные задачи: разработка аппаратных средств системы и разработка программного обеспечения (приложения). Обе эти задачи решаются так, чтобы было оптимальное распределение функций системы между ее двумя частями. Цикл разработки управляющих систем представляется тремя этапами:

- анализ задачи и выбор аппаратных средств;

- разработка программного обеспечения;

- отладка всей системы в комплексе.

В условиях конкуренции время разработки управляющей системы и ее стоимость должны быть минимальными. Эти требования определяются наличием инструментальных средств разработки аппаратно-программным систем.

Комплекс инструментальных средств, необходимый для разработки систем на микроконтроллерах включает:

• Средства разработки и отладки прикладного программного обеспечения микроконтроллеров;

• Средства ввода принципиальной схемы системы управления и проектирование топологии печатной платы;

• Средства автономной отладки аппаратуры;

• Средства комплексной отладки аппаратуры и программного обеспечения в реальном масштабе времени;

• Средства программирование памяти программ.

Общепринятым подходом в настоящее время является использование в качестве ведущего инструментального средства персонального компьютера. Это позволяет разработчику системы переложить на компьютер общесистемные задачи и сосредоточиться в каждом случае на реализации специфических функций проектирования и отладки. Одновременно персональный компьютер служит в качестве объединяющего ядра, в том числе конструктивного, и средством коммуникации в вычислительных сетях. Пользователь при этом получает возможность, помимо средств проектирования, пользоваться широким набором прикладного программного обеспечения для Windows.

Перечисленные выше группы средств проектирования и отладки включают приборы и системы различной категории сложности и стоимости, обеспечивающие максимальную поддержку разработчику и позволяющие создать изделие с микропроцессорной системой управления в запланированные сроки и в пределах утвержденной сметы затрат.

В качестве средств ввода принципиальных схем и разводки топологии печатных плат на персональных компьютерах используются системы автоматизированного проектирования типа P - CAD.

Средства разработки прикладного программного обеспечения микроконтроллеров - пакеты инструментальных программ для микропроцессоров и микроконтроллеров - представляют собой программы, обеспечивающие трансляцию исходных текстов рабочих программ с языков высокого уровня или Ассемблера в перемещаемый объектный код, последующую компоновку отдельных модулей в единую программу и размещение её по абсолютным адресам памяти программ.

Последовательность этапов разработки программного обеспечения управляющей системы на микроконтроллере, содержание этапов и используемые при этом инструментальные средства следующие:

• Создание исходного текста программы. Исходные модули программы могут быть написаны как на языке высокого уровня, так и на ассемблере. Для этого используется редактор текста.

• Трансляция. Транслятор и Ассемблер преобразуют исходный текст в перемещаемый объектный код. Кроме файлов объектного кода каждый из них формирует файл листинга трансляции. Используется кросс-транслятор и кросс-ассемблер из пакета инструментальных средств.

• Создание библиотечных модулей. Библиотекарь позволяет помещать перемещаемый модуль в библиотеку, извлекать модуль из библиотеки, создавать новую библиотеку и т. д. Используется программа-библиотекарь из пакета инструментальных средств;

• Компоновка перемещаемых объектных модулей (в том числе библиотечных) в единую программу и размещение её по абсолютным адресам памяти. Используется программа-компоновшик из пакета инструментальных средств.

• Преобразование абсолютного кода в файл типа .hex, который прошивается в программную память. Используется утилита конвертор из пакета инструментальных средств.

Распространенным средством отладки приложений для управляющих систем на микроконтроллерах является программа, называемая симулятором. Симулятор – программа на ПК, обычно бесплатно распространяемая фирмами–изготовителями микроконтроллеров и выполняющая функции микроконтроллера. С помощью симулятора можно быстро проверить логику выполнения программы, правильность выполнения арифметических операций, найти ошибки.

Очевидной особенностью программных симуляторов является то обстоятельство, что исполнение программ, загруженных в симулятор, происходит в масштабе времени, отличном от реального. Однако низкая цена, возможность ведения отладки даже в условиях отсутствия макета отлаживаемого устройства, делают программные симуляторы весьма эффективным средством отладки.

Самым мощным средством отладки приложений являются внутрисхемные эмуляторы. Внутрисхемный эмулятор – это программно-аппаратное средство, замещаемое собой эмулируемый микроконтроллер в реальной схеме и позволяющий сделать функционирование отлаживаемого микроконтроллера понятным, контролируемым, управляемым и модифицируемым по воле разработчика. При отладке с помощью внутрисхемного эмулятора вместо микроконтроллера включается специальная эмуляционная головка эмулятора, а сам эмулятор подключается к ПК, с помощью которого производится контроль работы приложения и управление режимами эмуляции в реальном времени.

Некоторые современные типы микроконтроллеров, в частности микроконтроллеры семейства ATmega, имеют встроенные средства отладки (внутрисхемный эмулятор – ICE JTAG). Для таких микроконтроллеров отладка производится не заменой, а в самом микроконтроллере.

Отлаженный программный продукт загружается в память микроконтроллера с помощью программаторов. Для микроконтроллеров с интерфейсом JTAG “прошивка” памяти программой производится с помощью средств AVR Studio и интерфейса ПК – JTAG.

AVR Studio является эффективным средством разработки ПО для микроконтроллеров и является интегрированной системой проектирования. Особенностью интегрированных систем является полное согласование между компонентами по протоколам обмена и форматам отладочной информации, что позволяет организовать сквозной цикл проектирования и отладки, начиная с программирования на языке высокого уровня, через отладку на программной модели и до управления ресурсами внутрисхемного эмулятора при отладке рабочей программы совместно с аппаратурой.

В режиме Симулятора AVR Studio поддерживает интерфейс внешней среды системы управления. Интерфейс внешней среды обеспечивается так называемыми файлами .LOG и .STI, которые являются имитаторами внешних сигналов системы управления. Файл .LOG формируется AVR Studio при выполнении программы и его содержимое представляет собой значения счетчика циклов (тактов) и содержимое регистров PORTS портов ввода-вывода. Иначе, файл .LOG представляет собой сигналы управления исполнительными устройствами, которые формируются при выполнении программы на выводах микроконтроллера.

Файл .STI имеет примерно такой же формат, но он формируется пользователем. Иначе, файл .STI представляет собой входные сигналы от внешних устройств системы для портов микроконтроллера. Файл .STI добавляется в AVR Studio и с его помощью формируются входные сигналы при выполнении программы.

Как в режиме симулятора, так и в режиме внутрисхемной отладки среда AVR Studio :

- производить набор или загрузку из файла программного текста на языках Ассемблер и Си, осуществлять редактирование текста и компиляцию программы.

- Контролировать и модифицировать состояние всех программно доступных ресурсов симулируемого микроконтроллера.

- Запускать отлаживаемую программу в пошаговом или непрерывном режимах, задавать точки останова, контролировать и свободно модифицировать содержимое ячеек памяти и регистров симулируемого микропроцессора. Контролировать и модифицировать параметры всех программно доступных встроенных периферийных устройств: таймеров, портов, АЦП, системы прерываний и др..

Кроме того, в режиме симулятора обеспечивается:

• Контроль времени выполнения программы и ее фрагментов по встроенному счетчику циклов (тактов).

• Создание файлов – имитаторов импульсных сигналов для внешних устройств (.LOG).

• Загрузка файлов – имитаторов импульсных сигналов от внешних устройств (STI).

Каждому приложению соответствует проект (работа). После запуска AVR Studio на экране монитора появляется окно (рис.64), с помощью которого можно:

- создать новый проект – кнопку NEW Project;

- открыть существующий проект – кнопка Open

- открыть проект из списка последних проектов (Recent Project).

Для создания нового ассемблерного проекта необходимо нажать кнопку New Project.

В модифицированном окне приглашения Welcome to AVR Studio4 (рис.65) необходимо:

- в списке Project Type выбрать тип проекта ATMEL AVR Assembler ;

- в строке Project Name набрать имя проекта, например, Test_AVR_Studio (при этом в строке Initial file автоматически формируется имя файла Test_AVR_Studio.asm для текста программы и создается папка для размещения фалов проект с таким же именем);

- в строке Location выбрать место размещения проекта, например, в корневом каталоге диска О:\;

- нажать кнопку Next.

Итогом будет предложено два списка (рис.66) Debug platform и Deviсе

Рисунок 64

Рисунок 65

для выбора платформы (режима) отладки и типа устройства (микроконтроллера). Выбираем для примера режим AVR Simulator, микроконтроллер ATmega16 и нажимаем кнопку Finish.

Рисунок 66

В вызванном окне AVR Studio (рис.67) предлагается окно (чистый лист), в котором производится набор программы на языке Ассемблер. В это окно также может быть скопирован текст программы из файла.

После набора текста программы производится компиляция (преобразование программного текста в машинный код) по пункту главного меню Build и п.п. Build and Run (рис.68). Результат компиляции сообщается в окне Build (Рис.69). При наличии ошибок синтаксиса языка выдается сообщение о номере строки с ошибкой и типе ошибки. Для определения номера строки, в которой есть ошибка необходимо дважды щелкнуть по строке сообщения об ошибке, после чего в тексте программы появляется стрелка синего цвета на выбранной строке. После исправления ошибки вновь производится компиляция. При получении сообщения об отсутствии ошибок в тексте появляется стрелка желтого цвета в начале строки с первой командой программы. Далее производится отладка приложения выбором режима отладки.

Для выбора режима отладки используется команда меню Debug (рис.71).

Рисунок 67

Рисунок 68

Рисунок 69

Start Debugging Начало отладки

Stop Debugging Останов отладки

Run Работать

Break Остановить

Reset Сброс на первую команду

Step Into Шаг (выполнение одной команды, отмеченную указателем)

Step Over Шаг (выполнение подпрограммы )

Step Out Автошаг без индикации

Run to Cursor Работать до установленного курсора

Auto Step Автошаг с индикацией

New Breakpoint Установить точку останова

Toggle Breakpoint Установка/сброс точки останова

Remove all Breakpoints Сброс всех точек останова

AVR Simulator Options Опции симулятора для выбора режимов работы

с файлом стимуляции Stimuli или работа с формированием файла состояния портов.

Рисунок 70

При необходимости прос-

мотра значений в ячейках

памяти или регистрах мож-

но открыть соответствую-

щее окно по команде меню

View (рис.70).

Рисунок 71

Каждое окно ресурсов микроконтроллера можно переключить на соответствующий блок выбором строки из выпадающего списка (рис.72):

- память ОЗУ – Data,

- память программ – Programm,

- регистры РОН – Register,

- регистры ввода- вывода – I/O, - память EEPROM.

Рисунок 72 Для изменения содержимого ячейки

памяти или регистра в окне необходимо открыть значение ресурса двойным щелчком, выбрать в окне редактора систему счисления, в строке Value of Address набрать новое значение и ОК. Таким же способом производится изменение значений в регистрах окна IO/View. В отрытых окнах по команде меню View изменение значений можно произвести в полноэкранном режиме, т.е изменять содержимое изменением значения на экране.

Для выбора режима Симулятора или внутрисхемного эмулятора используется в меню Debug команда Select Platform and Device.

Для добавления в проект файлов внешних сигналов используется команда AVR Simulator Options.